ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
Ⅰ. 서 론
자기공명방식 무선충전이 스마트폰, 가전제품, 전기차, 의료기기 등 다양한 산업 제품에 적용되기 위해서는 송 신기와 수신기 사이의 축 정렬이 고정되지 않고 자유로 울 때에도 효율적으로 전력 전송이 이루어져야할 것이다
[1]～[3]
. 송신기와 수신기의 축 정렬이 나란할 때에는 공진 기 사이에 강한 커플링이 형성되어 효율적으로 전력이 전송되지만, 축 정렬이 비스듬하게 되면 공진기 사이의 커플링이 감소하게 되고, 전송 효율도 낮아지게 된다
[4]. 최악의 경우, 2개의 공진기가 수직으로 배열되어 있을 때 에는 공진기 사이의 커플링이 "0"이 되고, 효율 역시 "0"
무선전력전송용 스위치가 장착된 직교루프 전방향 빔조향 공진기 Omnidirectionally Beam-Steerable Orthogonal Loop Resonator
with Switch for Wireless Power Transfer
최 보 희 ․이 정 해 Bo-Hee Choi ․Jeong-Hae Lee
요 약
본 논문에서는 무선전력전송용 전 방향 빔 조향 직교 공진기를 제안하였다. 전 방향 빔 조향 직교 공진기는 2개의 루프를 수직으로 교차하여 이들의 연결 관계를 스위치로 제어하는 방식이다. 스위치의 연결 방식에 따라 루프에 흐르는 전류의 방향이 결정되고, 그에 따라 빔 조향 방향이 결정된다. 수직으로 교차한 공진기의 전류와 그에 따라 형성되는 자기장의 벡터 합의 원리를 이용하여 대각선 방향으로의 빔 조향을 실현하였다. 4개의 스위치 mode를 통해서 총 8개 방향으로 빔 조향이 가능하다. 적합한 스위치 mode를 사용하여 전 방향에 대한 전송 효율을 구하면 시뮬레이션과 측정 결과가 각각 56.3～60.0 %(편차 3.7 %), 41.2～48.7 %(편차 7.5 %)으로 비교적 전 방향에 대해 균일한 전송 효율을 얻을 수 있다.
Abstract
This paper presents an omnidirectionally beam-steerable orthogonal loop resonator for wireless power transfer. The resonator is composed of two orthogonal loops. These connections of two loops and the current direction on the loops are determined by the control of switch. The magnetic field direction is determined by the vector sum of each loop current. The beam is steerable to eight directions by four switch modes. Using the suitable switch mode, the simulation and measurement efficiencies in the whole azimuthal direction are 56.3 ～60.0 %(deviation 3.7 %) and 41.2～ 48.7 %(deviation 7.5 %), respectively. The results show a little variation of transmission efficiency in the azimuthal direction.
Key words: Near-Field Steering, Wireless Power Transfer(WPT), Orthogonal Loop Resonator, Magnetic Resonance
「이 연구는 2015학년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2013R1A2A2A05005640).」
홍익대학교 전자정보통신공학과(Department of Electronic Information and Communication Engineering, Hongik University)
․Manuscript received December 29, 2014 ; Revised February 3, 2015 ; Accepted February 17, 2015. (ID No. 20141229-04S)
․Corresponding Author: Jeong-Hae Lee (e-mail: [email protected])
이 된다. 따라서 축 정렬이 자유로운 전 방향 빔 조향 공 진기가 필요함을 알 수 있다.
송신기와 수신기 사이의 축 정렬이 자유로운 전방향 빔조향 공진기에 대한 연구는 이미 몇 차례 보고된 바 있 다. 기존 직교한 2개 루프 구조에서의 전방향 빔조향 공 진기는 2개의 전원부가 요구되지만
[5], 본 논문은 동일 구 조에서 1개의 전원부와 스위치 제어를 통해 빔 조향을 도 모하여, 시스템 구성을 단순화하였다. 또한, 120°로 배열 한 3개 루프에서 커패시턴스를 조정하여 3개 mode를 통 한 전방향 빔조향 공진기
[6]에 비하여 본 논문은 4개 mode 를 사용하여 방향에 따른 효율 편차를 최소화하였다.
Ⅱ. 스위치 Mode와 구동 원리
그림 1은 전방향 빔조향 공진기의 구조 및 스위치 mo- de 에 따른 전류의 흐름과 자기장 분포를 나타낸다. 스위 치를 통해 2개의 직교한 루프의 연결 관계를 설정함으로 써, 전류의 방향과 그에 따른 자기장 방향이 결정된다. 4 가지 스위치 mode마다 양방향으로 자기장이 분포하여 총 8 개 방향으로 빔 조향이 가능하다. 스위치 연결 방식에 따른 빔 조향 원리는 다음과 같다. Mode 1과 mode 3은 하 나의 루프만 동작하고, 다른 루프는 연결이 끊어져 있으 므로, 플레밍의 오른손 법칙에 따라 자기장 방향이 결정 되며, 양방향으로 자기장이 분포하게 된다. Mode 2와 mode 4 는 루프 2개가 모두 작동하며, 2개 루프의 전류 방 향에 따라 벡터합에 의해 대각선 방향으로 자기장이 형 성된다. 그림 2는 mode 2에서의 전류의 흐름과 그에 따른 자기장의 벡터 합을 나타낸다. Mode 4일 때에는 스위치 연결 관계에 따라 다른 1개 루프의 전류의 방향이 반대로 되게 되고, 다른 방향의 대각선으로 자기장이 형성하게 된다.
Ⅲ. 구조 및 시뮬레이션 결과
그림 3(a)는 시뮬레이션을 하기 위해 모델링한 전 방향 빔 조향 직교 공진기의 구조 및 치수이다. 송신 공진기는 2 개의 루프가 수직으로 교차하며, 상단에는 2개 루프의 연결 관계를 결정하는 스위치가 장착되어 있다. 하단에는 6.78 MHz 에서 공진을 이루기 위한 커패시터가 직렬로 연
그림 1. 공진기 구조 및 스위치 mode (a) 스위치 mode에 따 른 전류의 흐름, (b) 자기장 분포(top-view) Fig. 1. Structure of resonator and switch mode (a) Current
flow according to switch mode, (b) Magnetic field distribution(top-view).
그림 2. 자기장의 벡터합(mode 2)
Fig. 2. Vector sum of magnetic field(mode 2).
결되어 있는데, 그 값은 각각 mode 1과 3에서는 1,237 pF,
mode 2 와 4에서는 623 pF이다. 수신 공진기는 단일 루프
구조이며, 마찬가지로 공진을 이루기 위한 커패시터가 직
송신 공진기 50cm (직교 공진기)
수신 공진기 Cap.
Cap.
스위치
Load feeding
20cm 20cm
20cm 20cm
(a) 3D-view
0º 315º
45º 90º 270º
135º 225º
180º
송신 공진기 (직교 공진기)
수신 공진기
(b) Top-view
그림 3. 전방향 빔 조향 직교 공진기의 구조 및 치수 Fig. 3. Structure and dimension of orthogonal resonator.
렬로 연결되어 있고, 그 값은 1,447 pF이다. 직교 공진기 의 중심으로부터 수신 공진기까지의 거리는 50 cm이다.
그림 3(b)는 위에서 바라본 공진기의 모습인데, 직교 공진 기에 표기된 좌표와 같이 22.5° 간격으로 직교 공진기를 회전하면서 수신 공진기에서의 효율을 측정하였다.
그림 4는 mode에 따른 자계 분포와 효율이다. Mode 1 과 3에서는 루프 하나만 동작하기 때문에 동작하는 루프 방향으로 자계가 분포하며, mode 2와 4는 루프 2개가 모 두 작동하기 때문에 전류 및 자기장의 벡터합에 의해 대 각선 방향으로 자계가 분포하게 된다. Mode 1과 3, mode 2 과 4의 배치에서 효율 차이는 2.4 %로 근소하다. 따라서 4 개의 mode에서 최대 효율이 나타나므로 총 8개 방향으 로 조향이 가능하다. 그림 3(b) 좌표계와 같이 직교 공진 기를 22.5°씩 회전시키면서 송신 공진기에서 효율을 산출 하였는데, 최대 효율을 위한 적합한 mode를 사용하였을 때 시뮬레이션 효율은 평면상 전 방향에 대하여 56.3～
Efficiency : 60.0%
Efficiency : 57.6%
mode 1, 3
mode 2, 4
그림 4. Mode에 따른 자계 분포 및 효율
Fig. 4. Magnetic field and efficiency according to mode.
60.0 % 로 산출되었으며, 효율 편차는 3.7 %로 비교적 균 일한 효율 분포를 보이는 것을 알 수 있었다.
참고문헌 [5]의 빔 조향 공진기는 수직교차한 2개 루프 의 위상차를 0° 또는 180°로 하여 대각선 양 방향으로 빔 조향하는 공진기이다. 본 논문의 빔 조향 직교 공진기와 동일한 치수로 모델링하여 시뮬레이션 결과, 자계 분포와 효율이 동일하게 나타났다. 따라서 참고문헌 [5]의 빔 조 향 공진기와 본 논문의 공진기는 효율 및 기능은 동일하 나, 구현 방식에 있어서 차이가 있다는 것을 알 수 있다.
참고문헌 [5]의 빔 조향 공진기는 2개의 루프에 위상차 조정이 가능한 각각의 전원부가 필요하다. 하지만 본 논 문의 공진기는 1개의 전원부와 스위치를 통해 빔 조향이 구현된다. 전원부의 개수가 2개에서 1개로 줄어들었기 때 문에, 임피던스 정합 및 위상차 조정 등의 시스템 구현을 좀 더 단순하고 수월하게 할 수 있는 장점이 있다.
참고문헌 [6]의 빔 조향 공진기는 3개의 루프를 120°로
배열한 구조에서 공진기와 공진기 사이의 커플링이 존재
하기 때문에, 공진기의 커패시턴스 조정을 통해 공진기의
유도 전류를 조절하여 빔 조향을 실현하였다. 참고문헌
[6] 의 공진기는 3개의 mode를 지원하나, 본 논문에서는 4
개의 mode를 지원하기 때문에 효율 편차를 개선할 수 있
었다. 시뮬레이션과 측정 효율을 비교해 보면, 참고문헌
[6] 의 시뮬레이션과 측정 효율이 각각 70.5～81.5 %(편차
11.1 %), 59.0 ～71.3 %(편차 12.3 %)에 비해 본 논문의 시
표 1. 전방향 공진기 특성 비교표
Table 1. Comparison of the omnidirectional resonators.
공진주파수 구현 방식 효율 편차
참고문헌 [5] - 2개의 소스 -
참고문헌 [6] 13.56 MHz - 70.5 ～81.5 % (편차: 12.3 %)
본 논문 6.78 MHz 1개의 소스
+ 스위치
56.3～60.0 % ( 편차: 3.7 %) 뮬레이션과 측정 효율은 각각 56.3～60.0 %(편차: 3.7 %), 41.2 ～48.7 %(편차: 7.5 %)으로 효율 편차가 향상되었다.
참고문헌 [6]의 빔 조향 공진기와 본 논문의 공진기는 구 조와 치수, 동작주파수가 모두 다르기 때문에 효율 비교 가 어려워 효율편차만 비교해 보았다.
표 1은 본 직교 공진기와 참고문헌 [5] 및 [6] 공진기의 특성 비교표이다.
Ⅳ. 제작 및 측정
그림 5는 제작한 공진기와 실험 모습이다. 그림 3과 동 일한 치수 및 구조로 제작되었다. 급전 및 부하는 피딩 루 프를 통해 구현하였다. 송신 공진기의 피딩 루프는 직교 루프의 안 쪽에 배치하였으며, 피딩 루프의 회전과 루프 사이즈 조절이 가능하여 스위치 mode에 따라 공진기와의 커플링 조절이 가능하도록 제작되었다. 직교 공진기의
피딩 루프
피딩 루프 수신 공진기
송신 공진기 (직교 공진기)
스위치 커패시터
커패시터
그림 5. 제작한 공진기 Fig. 5. Fabricated resonators.
0 20 40 60 80
100
0.022.5 45.0
67.5
90.0
112.5
135.0 157.5 180.0 202.5 225.0 247.5 270.0
292.5 315.0
337.5
0 20 40 60 80 100
Measurement mode1 mode2 mode3 mode4
E ff ic ie nc y( % )
Simulation mode1 mode2 mode3 mode4 그림 6. 전송 효율
Fig. 6. Power transfer efficiency.
